Прежде чем мы начнем говорить об экспериментальных исследованиях нейтрино от Солнца, очень важно понять две вещи. Первая состоит в том, что именно потому, что нейтрино очень слабо взаимодействуют, нам нужны очень большие детекторы. Это должны быть сотни, тысячи тонн вещества, в котором нейтрино будут взаимодействовать. Вторая вещь заключается в том, что, когда мы говорим, что мы зарегистрировали нейтрино, на самом деле мы регистрируем результат взаимодействия нейтрино. Это как если бы бильярдный шар рассеялся на другом бильярдном шаре, мы бы увидели только второй бильярдный шар, а нейтрино улетело бы дальше. Иногда нейтрино может провзаимодействовать таким образом, что образуются новые частицы. Тогда мы зарегистрируем эти новые частицы. Но зарегистрировать непосредственно нейтрино не получится.

Итак, первый эксперимент, который зарегистрировал солнечные нейтрино, был так называемый хлор-аргоновый эксперимент, который проходил в США в золотоносной шахте Хоумстейк и строился в конце 1960-х годов. В чем состояла идея? Бруно Понтекорво, очень известный итальянский и советский физик, предложил для регистрации нейтрино использовать реакцию взаимодействия электронных нейтрино от Солнца с хлором, а точнее, с изотопом хлора Cl37. Тогда, если нейтрино провзаимодействуют с этим хлором, у нас произойдет образование аргона-37 и электрона. Изотоп аргона Ar37 является радиоактивным, у него период полураспада чуть больше месяца.

Рекомендуем по этой теме:
3444
Солнечные нейтрино

Давайте мы возьмем очень большое количество хлора. Мы возьмем 600 тонн перхлорэтилена — это вещество, которое было очень дешево и доступно, потому что оно использовалось в химчистке. А в нем содержится хлор. И мы эти 600 тонн перхлорэтилена поместим в большую бочку вглубь шахты под землю, потому что нам нужно защититься от космических лучей. Все низкофоновые эксперименты, которые занимаются изучением нейтрино от Солнца в том числе, размещаются глубоко под землей. Теперь каждые два-три месяца мы будем смотреть, наработалось ли у нас какое-то количество аргона в этих 600 тоннах перхлорэтилена. То есть каждые два-три месяца мы будем прогонять 600 тонн через специальные фильтры, ловушки, чтобы нам отобрать те несколько атомов аргона, которые в нем, возможно, образовались. Это можно сделать довольно легко методами радиохимии (такие эксперименты, кстати, называются радиохимическими).

Дальше то, что нам удалось отобрать, мы поместим в пропорциональные счетчики и будем ждать, когда этот аргон распадется. Таким образом мы сможем подсчитать количество распадов аргона, который образовался в 600 тоннах перхлорэтилена.

В этом заключалась идея. Таким способом детектор работал двадцать пять лет. И уже самые первые результаты повергли в шок общественность, потому что оказалось, что число взаимодействий солнечных нейтрино с хлором в три раза меньше, чем-то, которое мы ожидали бы увидеть по стандартной солнечной модели. И стало предлагаться большое количество объяснений, которые, грубо говоря, сводились к двум большим классам: либо мы что-то неправильно понимаем в стандартной солнечной модели, а значит, и в Солнце, либо что-то не так с нейтрино, с их взаимодействиями.

И предлагались даже очень экзотические и довольно интересные гипотезы. Например, наличие черной дыры в центре Солнца. Если существует в центре Солнца черная дыра, тогда на нее будет происходить аккреция вещества Солнца, а как результат этой аккреции оттуда будет вылетать какое-то излучение. То есть мы тогда сможем часть той солнечной светимости, которую Земля получает, обеспечить не за счет термоядерных реакций, а за счет аккреции вещества на черную дыру.

Было сделано предположение, что, возможно, нейтрино на своем пути от Солнца к Земле переходит из одного типа в другой. Дело в том, что на Солнце рождаются электронные нейтрино, а мы знаем, что существуют еще нейтрино мюонные и так называемые тау-нейтрино. Если у нейтрино есть масса, тогда на своем пути от Солнца к Земле они могут в определенный момент времени как бы превратиться в нейтрино другого типа. И если электронное нейтрино превратилось в нейтрино мюонное, то это мюонное нейтрино не может провзаимодействовать с хлором. Как следствие, хлор-аргоновый эксперимент будет наблюдать дефицит солнечных нейтрино.

Именно на проверку этого предположения, этой гипотезы были нацелены эксперименты со вторым поколением детекторов. Но прежде чем закончить с радиохимическими детекторами, я скажу, что, помимо хлор-аргонового, было еще два детектора, принцип работы которых был аналогичен хлор-аргоновому. Они называются галлий-германиевые детекторы. Просто вместо хлора у вас другое вещество — галлий. Все остальное практически то же самое. Нейтрино взаимодействует с галлием, образуется радиоактивный германий с чуть меньшим периодом полураспада. Дальше мы его методами радиохимии просто извлекаем и подсчитываем количество этих атомов, которые образовались. И конечно, галлий-германиевые детекторы, один из которых, кстати, наш советский детектор, работавший на Кавказе, на Баксане, подтвердили загадку солнечных нейтрино.


Фотография Солнца по потоку нейтрино

Итак, второе поколение детекторов нейтрино от Солнца. Это были водно-черенковские детекторы. Что такое вообще черенковское излучение? Это свет в ультрафиолетовой и частично голубой видимой области спектра, который возникает в том случае, когда у нас сквозь среду проходит заряженная частица со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. В этом случае у нас вдоль трека частицы образуется конус черенковского излучения, которое может быть зарегистрировано фотоэлектронными умножителями — это такие специальные приборы в ядерной физике, которые могут уловить малейшее число фотонов, образовавшихся в результате этого взаимодействия.

Идея заключалась вот в чем. Нельзя ли нам придумать какой-нибудь такой детектор, который смог бы в том случае, если электронные нейтрино на пути от Солнца к Земле превратились в мюонные и в тау, зарегистрировать и их тоже, то есть зарегистрировать тот же самый поток, который мы и предполагаем? И оказалось, что такой детектор можно сделать на основе принципов черенковского излучения.

Этот детектор назывался SNO (Sudbury Neutrino Observatory), это местечко на севере Канады. В чем заключалась идея этого эксперимента? Они взяли тысячу тонн воды, но не просто воды, а тяжелой воды D2O. Что это дало? Дело в том, что с ядром изотопа водорода дейтерия может провзаимодействовать как электронное, так и мюонное и тау-нейтрино. Если это произойдет, образуется протон и нейтрон, а нейтрино улетит дальше. В среде нейтрон будет жить какое-то время, и через несколько десятков микросекунд он захватится дейтоном, который присутствует в этой тяжелой воде, с образованием энергичного гамма-кванта. Этот гамма-квант даст черенковское излучение. Строго говоря, не сам гамма-квант даст излучение: он комптоновски рассеется на электроне, и уже этот электрон даст черенковское излучение, которое зарегистрируют фотоумножители детектора SNO. Именно это и удалось сделать в этом эксперименте.

То есть детектор зарегистрировал именно такой поток нейтрино от Солнца, который предсказывался стандартной солнечной моделью, в отличие от радиохимических экспериментов. Он совершенно наглядно показал, что, действительно, электронные нейтрино переходят в мюонные и в тау, которые мы тоже смогли зарегистрировать. В этом эксперименте было несколько фаз, несколько стадий. Например, на втором этапе этого эксперимента растворили в тяжелой воде обыкновенную соль (NaCl), для того чтобы добавить туда хлор. А у хлора высокое сечение захвата нейтронов. Таким образом, вы можете повысить эффективность регистрации нейтронов. И это было сделано. На этом этапе также удалось показать, что электронные нейтрино осциллируют и в нейтрино другого типа. И мы их тоже видим и регистрируем.

Рекомендуем по этой теме:
6712
Роль нейтрино в космологии

Среди черенковских детекторов был еще один великий детектор — это детектор Super-Kamiokande в Японии. Основная задача у него была другая: он занимался изучением атмосферных нейтрино. Но тем не менее он мог регистрировать также нейтрино от Солнца. Это огромный детектор, 50 килотонн воды, которые просматривают больше чем десять тысяч фотоэлектронных умножителей. И принцип регистрации здесь заключается в рассеянии нейтрино на электроне: если прилетело нейтрино от Солнца и рассеялось на электроне, то электрон вылетает преимущественно вперед (в этом, кстати, большое преимущество регистрации по рассеянию на электронах). И этот электрон дает черенковское излучение, которое детектор регистрирует.

Замечательная вещь, которая удалась Super-Kamiokande именно потому, что электрон вылетает преимущественно в направлении движения нейтрино, — этому детектору удалось установить направление на Солнце. Он получил фотографию Солнца в нейтринных лучах. Она облетела весь мир — фотография Солнца по нейтрино. И лидеры этих двух экспериментов, SNO и Super-Kamiokande, получили Нобелевскую премию по физике в 2015 году за исследования эффекта нейтринных осцилляций.

Таким образом, радиохимические детекторы регистрировали нейтрино очень низких энергий, но они не умели измерять их энергию. Напротив, водно-черенковские детекторы умели измерять энергию нейтрино. Но энергетический порог этих детекторов был довольно высок, примерно 5 МэВ. А мы помним, что 99% всех нейтрино от Солнца сосредоточено в области меньше 1 МэВ. И на третьем этапе экспериментальных исследований нейтрино от Солнца была поставлена именно такая задача: нельзя ли нам попробовать сделать такой детектор, который сможет не просто регистрировать самые многочисленные нейтрино от Солнца в области энергии меньше 1 МэВ, но и измерять их энергии?